Grâce à son aptitude à répondre à une demande asymétrique de manière efficace et son coût d'exploitation réduit, la mobilité autonome à la demande (MAD) pourrait permettre de diminuer l'empreinte carbone du système de transport urbain tout en maintenant sa performance. Mais pour éviter l'augmentation du nombre de kilomètres parcourus, la MAD doit fonctionner en synergie avec les transports en commun (TC), plus efficaces pour dégager des économies d'échelle. Or la coopération entre MAD privée et TC n'est pas garantie comme en témoigne l'exemple des Uber. Cette thèse cherche donc à explorer la question suivante : comment réguler de manière optimale la MAD pour favoriser sa coopération avec les TC? La problématique est étudiée dans deux cas d'études distincts, un couloir de mobilité et une aire métropolitaine. Avec une approche en optimisation, nous étudions la désagrégation de la MAD en plusieurs flottes opérant sur des zones de couverture bien distinctes dans le cas du couloir, et explorons différents schémas de tarification dans le cas de l'agglomération. Sur chacun des cas, le travail répond à trois objectifs. Premièrement, il s'agit de rendre compte des bénéfices de la complétion des TC par la MAD en termes d'efficacité du système (temps de parcours, coût de trajet, individuels et cumulés), d'indicateurs environnementaux (part de la mobilité collective dans les déplacements, émissions carbone), et d'équité. Deuxièmement, nous cherchons à mettre en évidence les modalités de coopération et compétition entre MAD et TC et de décrire les motifs de mobilité correspondant. Enfin, il s'agit de proposer des politiques de régulation optimales, capables d'exploiter le plein potentiel de la MAD intermodale.